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Power-to-Ammoniak

  • Ammoniak ist Grundbaustein für die Herstellung von Düngemitteln und dementsprechend für die Nahrungsmittelindustrie unentbehrlich. Ca. 40-50 % der Weltbevölkerung sind von Nahrungsmitteln abhängig, die mit Hilfe von Ammoniakdüngern hergestellten wurden. Weltweit wurden alleine im Jahr 2015 181 Mt Ammoniak produziert, wodurch die Ammoniakherstellung mit 1,2 % am gesamten Energieverbrauch der Welt beteiligt ist und für 0,93 % der globalen Treibhausgasemissionen zuständig ist. Auch in Zeiten der Energiewende ist diese Grundstoffchemikalie unentbehrlich, ist aber auf einem anderen Wege herzustellen. Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung verschiedener Möglichkeiten zur erneuerbaren Elektrifizierung und Dekarbonisierung der Ammoniakindustrie, wodurch der Einsatz von herkömmlichen Energieträgern wie Erdgas, Kohle und Öl negiert werden kann. Ammoniak wird aktuell über das Haber-Bosch-Verfahren aus den Rohstoffen Erdgas, Kohle und Öl gewonnen. Bei diesem Verfahren wird über einen Primär- und Sekundärreformer Wasserstoff und Stickstoff gewonnen. Andere Gasbestandteile werden gefiltert oder umgewandelt, um schädliche Katalysatorgifte (CO, H2S) zu entfernen. Im Reaktor wird an Eisenkatalysatoren aus Wasserstoff und Stickstoff letztendlich Ammoniak hergestellt. Der Energieverbrauch des Haber-Bosch Verfahrens schwankt zwischen 7,8 MWh/t NH3 für eine moderne und sehr effiziente Anlage mit Erdgas und 13,6 MWh/t NH3 für eine alte mit Kohle betriebene Anlage. An Emissionen treten pro hergestellter Tonne Ammoniak je nach Rohstoff 1,6-3,8 t CO2-eq auf. Neben der Biomassevergasung gibt es mehrere rein elektrische Ansätze zur Ammoniakherstellung. Die unterschiedlichen elektrochemischen Ansätze zur direkten Ammoniaksynthese, wie der Einsatz von Flüssigsalzelektrolyten oder Feststoffelektrolyten, wurden in Abschnitt 3.2 vorgestellt. Einige dieser Technologien zeigen vielversprechende Ansätze, sind jedoch zum aktuellen Zeitpunkt noch zu weit von einem industriellen Einsatz entfernt. Der Einsatz der Wasserelektrolyse in Kombination mit einer Luftzerlegungseinheit ist die derzeit vielversprechendste Methode Ammoniak auf einem strombasierten und dekarbonisierten Wege herzustellen. Bei diesem System wird Wasserstoff im Elektrolyseur und Stickstoff in der Luftzerlegungseinheit hergestellt. Die Ammoniaksynthese findet hierbei in einem Reaktor nach Vorbild des Haber-Bosch-Prozesses statt. Mit diesem System ist ein Energieverbrauch von ca. 10 MWh/t NH3 notwendig. Durch den Einsatz von rein erneuerbar hergestelltem Strom als Energieträger lässt sich mit diesem Technologiezusammenschluss die Ammoniakherstellung komplett Emissionsfrei gestalten. Dadurch können alleine in Deutschland jährlich bis zu 7,8 Mt CO2-eq eingespart werden. Eine zukünftige Umstrukturierung der Ammoniakherstellung und der gesamten chemischen Industrie ist unabdingbar. Diese kann aber nur parallel mit einem Ausbau erneuerbarer Energien umgesetzt werden. Mit der Wasserelektrolyse und der Luftzerlegungseinheit sind die technischen Möglichkeiten für diesen Umbau bereits heute gegeben und brauchen nur noch eingesetzt werden.
  • Ammonia is a fundamental raw material for the production of fertilizer and essential for the food industry. About 40-50 % of the world population depends on food produced with the assistance of ammonia fertilizers. In 2015 181 Mt ammonia was produced worldwide. The ammonia production is responsible for 1,2 % of the global energy consumption and 0,93 % of the global greenhouse gas emissions. Even in times of the energy transition this base chemical is essential, although it should be produced on a different way. It is therefore the objective of this work to show different possibilities for an electrified and decarbonised ammonia industry powered by renewable energies. As a result the use of conventional energy carriers like gas, coal and oil will be negotiated. Ammonia is produced with the Haber-Bosch process from gas, coal and oil as feedstock. In this process a primary and a secondary reformer is used to produce hydrogen and nitrogen. Other gaseous components are filtered and converted to remove catalyst poisons (CO, H2S). In the reactor iron catalysts are used to produce ammonia out of hydrogen and nitrogen. The energy consumption of the Haber-Bosch process varies between 7,8 MWh/t NH3 for a modern and really efficient gas based plant and 13,6 MWh/t NH3 for an old coal based plant. The production of one ton ammonia causes emissions between 1,6-3,8 t CO2-eq based on the used feedstock. Beside biomass gassing there are several electric technologies to produce ammonia. The different electrochemical technologies to synthesize ammonia on a direct way, like solid state electrolysis or molten salt electrolytes, are shown in section 3.2. Some of these technologies show a good potential, but all of them are far off the use in the industry. The use of an electrolyser in combination with an air separation unit is the most promising way to produce ammonia on an electrified and decarbonised way. In this system hydrogen is produced in the electrolyser and nitrogen in the air separation unit. The ammonia synthesis works in a reactor based on the Haber-Bosch process. Using this system the production of one ton ammonia has an energy consumption of 10 MWh. With the use of renewable energies in this combination of technologies a greenhouse gas emissions free ammonia production is possible. In Germany alone 7,8 t CO2-eq can be saved. A future reorganization of the ammonia industry and the complete chemical industry is indispensable. A parallel expand of renewable energies is necessary to realize this approach. With electrolysers and air separation units the technical possibilities for this reconstruction are already given. All that remains is the implementation of them.

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Metadaten
Author:Michael HeberlORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:898-opus4-22167
Subtitle (German):Möglichkeiten zur erneuerbaren Elektrifizierung und Dekarbonisierung der Ammoniakindustrie
Referee:Michael SternerORCiDGND, Thomas LexORCiD
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Year of first Publication:2021
Publishing Institution:Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg
Granting Institution:Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg
Date of final exam:2017/10/31
Release Date:2021/12/20
Tag:Ammoniaksynthese; Emissionen; Erneuerbare Energien; Haber-Bosch
Pagenumber:68
Institutes:Fakultät Elektro- und Informationstechnik
research focus:Energie und Mobilität
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International